吳 瑾,崔沂峰,姜紫陽,傅學(xué)振,孫 齊,楊 昆
(1.臨沂市氣象局,山東 臨沂 276700;2.臨沂大學(xué),山東 臨沂 276700)
遙感影像通常是衛(wèi)星及普通飛行器使用傳感器直接拍攝的影像,在應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理遙感影像的過程中,影像預(yù)處理是保障衛(wèi)星遙感信息傳輸準(zhǔn)確性的關(guān)鍵處理步驟。遙感影像的數(shù)據(jù)格式和表現(xiàn)內(nèi)容相對(duì)較為復(fù)雜,除了最基礎(chǔ)的像元信息之外,還包括波段參數(shù)、投影、坐標(biāo)等其他類型的相關(guān)數(shù)據(jù)參量。在實(shí)施預(yù)處理之前,需要對(duì)遙感影像信息進(jìn)行初步的讀取,由于信息數(shù)據(jù)的排列方式并不唯一,所以需要借助ArcGIS、ENVI等商業(yè)軟件來打開原始的遙感圖像,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
天氣會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響,惡劣天氣更是會(huì)直接威脅人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)資料顯示,接近百分之九十的自然災(zāi)害現(xiàn)象都是由惡劣天氣引起的,在倡導(dǎo)資源可持續(xù)發(fā)展的今天,如何避免人類的生命與財(cái)產(chǎn)安全免受惡劣天氣影響,已經(jīng)成為了一項(xiàng)極為關(guān)鍵的發(fā)展任務(wù),因此,對(duì)惡劣氣象進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警就顯得尤為重要。
文獻(xiàn)[4]提出基于NB-IoT技術(shù)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過研究氣象災(zāi)害行為的方式,確定惡劣氣象數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)聯(lián)性,再借助MODIS模塊,對(duì)氣象監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[5]提出基于融合網(wǎng)關(guān)技術(shù)的氣象災(zāi)害信息推送系統(tǒng)。通過傳感器信息數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)融合系統(tǒng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和 GPS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),組成氣象信息遙感監(jiān)測(cè)模塊,對(duì)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。并通過智能終端推送至客戶端。上述方法均具有一定的有效性,但其檢測(cè)準(zhǔn)確率及預(yù)警時(shí)效性仍有提升空間。
為解決上述問題,引入衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)一種新型的惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。
通過插件模塊邏輯設(shè)計(jì)、平臺(tái)插件管理與模塊集成、遙感信息顯示與預(yù)警模塊連接的處理流程,實(shí)現(xiàn)惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。
圖1 插件模塊的邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
對(duì)于惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)而言,為實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定向化分析,硬件功能區(qū)域必須包含多個(gè)功能模塊,再借助一個(gè)邏輯應(yīng)用結(jié)構(gòu),完成對(duì)相關(guān)軟件程序的集中驅(qū)動(dòng)(如圖1所示)。其中,插件模塊能夠控制惡劣氣象遙感數(shù)據(jù)的整個(gè)監(jiān)測(cè)生命周期時(shí)長(zhǎng),且由于Main、ShowPluginUI、Over()三類程序命令的存在,與惡劣氣象相關(guān)的預(yù)警插件可在結(jié)構(gòu)主機(jī)中直接讀取,并可根據(jù)運(yùn)行程序的啟動(dòng)行為,完成后續(xù)的卸載與應(yīng)用指令。Main程序在系統(tǒng)插件模塊中,負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,一般來說,隨著遙感數(shù)據(jù)量的增大,惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警插件可快速加載,并可在相關(guān)數(shù)據(jù)庫主機(jī)中進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)。ShowPluginUI程序則主要掌管基于監(jiān)測(cè)預(yù)警指令的插件啟動(dòng)行為,在一個(gè)完整的系統(tǒng)生命周期內(nèi),該程序能夠?qū)Σ寮?dòng)起到一定的促進(jìn)性作用。在系統(tǒng)插件模塊結(jié)構(gòu)中,Over()程序主要負(fù)責(zé)釋放已存儲(chǔ)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資源,由于上級(jí)軟件程序指令的存在,預(yù)警插件可跟隨遙感數(shù)據(jù)的傳輸行為而進(jìn)行自由卸載,這也是新型系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)主機(jī)預(yù)警指令的主要原因。
在系統(tǒng)的插件模塊中,主要使用了單例模式、多例模式兩種邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),前者能夠拉近相關(guān)硬件設(shè)備之間的物理連接距離,后者則能較好實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警指令的定向化控制。
系統(tǒng)插件平臺(tái)通過動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式對(duì)數(shù)據(jù)插件結(jié)構(gòu)進(jìn)行公開處理,且由于反射機(jī)制的存在,已存在于插件模塊中的代碼信息可快速反饋回系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警主機(jī)中,一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)上機(jī)位序列號(hào)的按序發(fā)送,另一方面也可對(duì)相關(guān)呈現(xiàn)進(jìn)行啟用與禁用處理。
通常情況下,集成后的平臺(tái)插件管理模塊主要負(fù)責(zé)處理發(fā)送預(yù)警、影像剪裁、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、氣象數(shù)據(jù)提取等幾類執(zhí)行程序,且為保證監(jiān)測(cè)預(yù)警行為的輸出一致性,該模塊中傳輸?shù)乃兄噶畎姹咎?hào)都保持為v1.0的形式。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理不能脫離惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)而獨(dú)立存在,因此所有指令程序的傳輸都必須借助上機(jī)位、行列號(hào)等軟件應(yīng)用結(jié)構(gòu),隨著啟用/禁用選擇行為的不同,模塊內(nèi)正在執(zhí)行插件的名稱形式也有所不同。
遙感信息顯示與預(yù)警模塊主要負(fù)責(zé)處理小區(qū)域的惡劣氣象衛(wèi)星影像,當(dāng)遙感影像太大或所需查看區(qū)域較小時(shí),必須針對(duì)原始圖像中的特定位置進(jìn)行縮放處理,這就需要系統(tǒng)信息顯示與預(yù)警模塊的積極配合。圖2為惡劣氣象遙感影像的顯示效果圖。
圖2 遙感影像顯示效果圖
根據(jù)遙感影像顯示效果圖的不同,系統(tǒng)信息顯示與預(yù)警模塊的集成處理可從如下幾方面同時(shí)進(jìn)行。
1)惡劣氣象遙感影像的顯示大小應(yīng)為:X
值等于1 354 dt、Y
值等于2 030 dt;2)在惡劣氣象遙感影像中,預(yù)警節(jié)點(diǎn)均勻分布于橫縱曲線交界處,其具體數(shù)值水平應(yīng)處于100~150個(gè)之間;
3)為保證遙感信息的穩(wěn)定顯示,預(yù)警模塊中影像數(shù)據(jù)的波段數(shù)設(shè)置結(jié)果,應(yīng)隨控制點(diǎn)數(shù)量水平的改變而不斷變化;
4)惡劣氣象遙感影像的選取范圍不宜過大,但必須囊括所有相關(guān)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。
衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊需要同時(shí)執(zhí)行基本信息讀取、軟件程序讀寫、輻射定標(biāo)與亮溫計(jì)算三類應(yīng)用指令,具體設(shè)計(jì)流程如下。
在惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,遙感影像基本信息的讀取必須借助預(yù)處理模塊的編程能力才能實(shí)現(xiàn),一般來說,所使用的編程語言的C#,遙感數(shù)據(jù)所處開發(fā)環(huán)境為visio studio。
C#是面向衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的高級(jí)應(yīng)用程序,具有較為高級(jí)的語言特性與優(yōu)勢(shì),在實(shí)施基本信息讀取時(shí),首先定義比較集中的遙感影像數(shù)據(jù),再定義比較分散的遙感影像數(shù)據(jù),最后再對(duì)所有信息參量進(jìn)行統(tǒng)一的編碼處理。
visio studio是一種集成型的軟件開發(fā)架構(gòu),可同時(shí)兼容C#、C++等多種編程語言,一般來說,遙感影像基本信息的排列順序相對(duì)混亂,而在visio studio軟件的作用下,這些信息參量可按照由小到大的順序反饋至下級(jí)插件結(jié)構(gòu)中,這也是讀取后信息參量能夠保持較強(qiáng)傳輸敏感性的主要原因。
完整的遙感影像基本信息讀取流程如圖3所示。
圖3 遙感影像基本信息的讀取流程圖
為保證衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地物景觀之間的一一對(duì)應(yīng)性,在實(shí)施基本信息讀取時(shí),應(yīng)使用開源柵格空間數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)信息參量進(jìn)行讀取,一方面能夠在較短時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)大量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)文件,另一方面也可將遙感影像信息轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的傳輸格式。
惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)所記錄的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)一般包含多項(xiàng)輔助說明信息,若不能將這些信息文件分別存儲(chǔ)于不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,將不便于對(duì)遙感影像進(jìn)行分發(fā)、管理與統(tǒng)計(jì)處理。GDAL軟件程序的存在,不但滿足了惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的持續(xù)讀寫需求,也驗(yàn)證了已讀取遙感影像基本信息的應(yīng)用有效性。如果遺失了一個(gè)信息文件,不但會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的不全面,也會(huì)使得系統(tǒng)所測(cè)得指標(biāo)的顯著性能力大幅下降。GDAL軟件通過構(gòu)建數(shù)據(jù)集合的方式,對(duì)已讀取的遙感影像信息進(jìn)行整合處理,而在此過程中,數(shù)據(jù)格式多次發(fā)生改變,因此其最終存儲(chǔ)位置并不能完全固定。
設(shè)w
、e
分別代表兩個(gè)不同的影像信息讀寫條件,ζ
、ζ
代表不同讀寫條件下的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)特征值,聯(lián)立上述物理量,可將GDAL軟件程序?qū)τ谶b感影像的讀寫表達(dá)式定義為:(1)
式中,?表示與系統(tǒng)主機(jī)匹配的數(shù)據(jù)感應(yīng)系數(shù),β
表示特定條件下GDAL讀寫軟件的運(yùn)行強(qiáng)度值。根據(jù)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)讀取進(jìn)度的不同,GDAL軟件對(duì)于遙感影像的讀寫處理結(jié)果也會(huì)有所不同。將插件模塊所記錄到的惡劣氣象數(shù)據(jù)通過公式轉(zhuǎn)換的方式,改寫成可被監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)直接識(shí)別的輻射定標(biāo),這也是完成衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演與定量化處理的必要執(zhí)行步驟。圖4為輻射定標(biāo)處理前后的惡劣氣象遙感影像對(duì)比情況。
圖4 輻射定標(biāo)處理前后的惡劣氣象遙感影像
在定標(biāo)處理的同時(shí),對(duì)系統(tǒng)傳感器中的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行二次統(tǒng)計(jì),該過程也叫數(shù)據(jù)信息的亮溫計(jì)算,這也是系統(tǒng)主機(jī)中所有遙感影像都不具備畸變能力的主要原因。一般情況下,亮溫計(jì)算處理的局限性較強(qiáng),僅適用于對(duì)風(fēng)向惡劣氣象指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。
衛(wèi)星遙感影像的預(yù)處理模塊可同時(shí)處理長(zhǎng)度為36 個(gè)柵格波段的數(shù)據(jù)信息,且為保證系統(tǒng)預(yù)警行為的有效性,所有已讀取的遙感影像基本信息中都應(yīng)涉及像元經(jīng)緯度、方位角、天頂角等指標(biāo)參量。惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警文件中的所有衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)都是通過儀器定標(biāo)處理直接獲得的,因此全部保持16 位存儲(chǔ)格式,這也為后續(xù)輻射定標(biāo)與亮溫計(jì)算指令的實(shí)施節(jié)省了大量時(shí)間。
設(shè)p
、p
代表兩個(gè)不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演系數(shù),聯(lián)立公式(1),可將惡劣氣象遙感影像的輻射定標(biāo)表達(dá)式定義為:(2)
式中,L
為惡劣氣象數(shù)據(jù)的定標(biāo)統(tǒng)計(jì)系數(shù);s
為惡劣氣象數(shù)據(jù)的實(shí)際定標(biāo)處理量。(3)
在同一幅惡劣氣象遙感影像中,輻射定標(biāo)式、亮溫計(jì)算式數(shù)值始終保持較高水平的一致性。
在惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,按照多線程同步與通信關(guān)系建立、遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別的處理流程,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感程序與硬件監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊之間的交互。
d
、d
代表兩個(gè)不同的監(jiān)測(cè)線程同步系數(shù),在數(shù)據(jù)通信量最小值為χ
、最大值為χ
的情況下,聯(lián)立公式(3),可將d
、d
兩個(gè)系數(shù)指標(biāo)分別表示為:(4)
其中:y
表示預(yù)警線程的傳輸敏感性系數(shù),μ
表示全局變量系數(shù),I
表示靜態(tài)變量系數(shù),c
、v
分別代表兩個(gè)不同的預(yù)警指令傳輸標(biāo)量系數(shù),f
代表既定的預(yù)警指令特征值,u
代表特定的數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)系數(shù),γ
代表特定情況下的遙感數(shù)據(jù)感應(yīng)系數(shù),g
代表惡劣氣象遙感影像數(shù)據(jù)的反向傳輸條件。(5)
多線程同步通信表達(dá)式可作為函數(shù)條件對(duì)惡劣氣象遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行約束,在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中,由于該項(xiàng)表達(dá)式條件的存在,系統(tǒng)主機(jī)可在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)相關(guān)傳輸指令做出反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)檢測(cè)指標(biāo)顯著性表現(xiàn)行為的有效促進(jìn)。
遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別能夠剔除惡劣氣象遙感影像數(shù)據(jù)中的干擾項(xiàng)信息。一般來說,識(shí)別前的圖像反射率水平較低,且隨著系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警指令的執(zhí)行,這些干擾性信息極易使氣象圖像的清晰度水平受到影響,并最終使應(yīng)用指令的傳輸位置發(fā)生改變。對(duì)于風(fēng)向指標(biāo)而言,遙感影像中景觀對(duì)象在紅外波段、可見光波段與其他指標(biāo)數(shù)據(jù)的反射率與輻射亮溫?cái)?shù)值差距相對(duì)較大,因此,在實(shí)施遙感數(shù)據(jù)的云識(shí)別過程中,必須保障衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性。
在已知多線程同步通信表達(dá)式的情況下,規(guī)定j
、j
、…、j
分別代表n
個(gè)不同的惡劣氣象遙感影像數(shù)據(jù)參量值,其中n
表示數(shù)據(jù)信息的云識(shí)別次數(shù)。在上述物理量的支持下,聯(lián)立公式(5),可將遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別表達(dá)式定義為:(6)
其中:α
代表惡劣氣象遙感影像數(shù)據(jù)的最小輻射亮溫?cái)?shù)值,α
代表最大的輻射亮溫?cái)?shù)值,z
、z
、…、z
分別代表n
個(gè)不同的氣象遙感影像數(shù)據(jù)傳輸反射系數(shù)。在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的支持下,惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可同時(shí)處理多幅影像圖片,不但保障了通信進(jìn)程之間的傳輸同步性,也實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的按需集成。
遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。
圖5 遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別技術(shù)流程圖
如圖5所示,首先選取不同的惡劣氣象遙感影像數(shù)據(jù)參量值,將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)讀取的遙感影像信息輸入遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別模型,結(jié)合數(shù)據(jù)信息及參量值得出遙感數(shù)據(jù)云識(shí)別模型,并通過多線程的同步與通信將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸至惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感程序與硬件監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊之間的交互。
為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的有效性,設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)選用惡劣氣象實(shí)驗(yàn)對(duì)象為風(fēng)向指標(biāo)數(shù)據(jù)。通過本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理模塊對(duì)各類風(fēng)向指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理與加工。利用數(shù)據(jù)儀表對(duì)所采集到的信息參量進(jìn)行存儲(chǔ)。將所采集到的數(shù)據(jù)信息參量平均分成兩部分,其中實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)輸入基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,對(duì)照組數(shù)據(jù)輸入基于NB-IoT技術(shù)的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
圖6記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組風(fēng)速指標(biāo)的具體數(shù)值變化情況。
圖6 風(fēng)速時(shí)序圖
分析圖6可知,實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組風(fēng)速時(shí)序均保持來回波動(dòng)的數(shù)值變化趨勢(shì),在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,實(shí)驗(yàn)組風(fēng)速數(shù)值與實(shí)際值十分接近,最大值接近5.0 m/s;而對(duì)照組的風(fēng)速數(shù)值與實(shí)際值相差較大,最大值僅能達(dá)到3.8 m/s。
在此基礎(chǔ)上測(cè)試兩種系統(tǒng)的風(fēng)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)效性,對(duì)比結(jié)果如圖7所示。
圖7 風(fēng)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)比結(jié)果
分析圖7可知,在6次測(cè)試過程中,實(shí)驗(yàn)組對(duì)惡劣氣象的預(yù)警耗時(shí)平均值為1.6 s,對(duì)照組對(duì)惡劣氣象的預(yù)警耗時(shí)平均值為6.1 s,由此可見所設(shè)計(jì)基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)效性較好,能夠及時(shí)發(fā)生惡劣氣象的預(yù)警指令。
綜上可知,隨著基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用,預(yù)測(cè)所得的風(fēng)速時(shí)序依然能夠保持較高的數(shù)值水平,在此情況下,對(duì)大風(fēng)惡劣氣象的預(yù)警較為準(zhǔn)時(shí),不但有助于提升風(fēng)力指標(biāo)的表達(dá)顯著性,也能保證系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于預(yù)警指令的及時(shí)響應(yīng)。
本文提出基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),從風(fēng)力指標(biāo)表達(dá)顯著性較弱的角度入手,借助插件模塊、顯示預(yù)警模塊等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu),在控制多線程同步通信關(guān)系的同時(shí),完成對(duì)遙感數(shù)據(jù)的云識(shí)別與處理。通過系統(tǒng)多線程的同步通信云端識(shí)別遙感數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感程序與惡劣氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊之間的實(shí)時(shí)交互。從實(shí)用性角度來看,預(yù)測(cè)所得的風(fēng)速時(shí)序能夠維持較高的數(shù)值水平,Perrson特性數(shù)值、雙側(cè)特性數(shù)值也可以長(zhǎng)時(shí)間保持高水平的存在狀態(tài),即提升了風(fēng)力指標(biāo)的表達(dá)顯著性,也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于預(yù)警指令的及時(shí)響應(yīng),具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。